穿上发电衣

陈前云

想过10年后穿在你身上的会是什么样的衣服吗?也许那个时候，挂在你衣柜里的那些东西与其说是衣服，还不如说是计算机、发电机、监测仪或其他什么设备。因为，在未来，越来越多的高科技元素将融入普通服装中，衣服将不再是只起保暖和美观作用的覆盖物，它还将是你生活和工作的助手，甚至可以帮你的手机充电。

全世界有35亿手机用户，20亿随身听拥有者，虽然电子设备的数量经历了迅速而持续的增长，但它们存在一个通病，那就是使用者必须有规律地给它们充电。为了使这类电子产品能够自主运行，许多实验室开始着手研究从人体运动中回收能源。的确，在体力活动时，人体能产生大约100瓦的功率。只要把这些机械能中的一部分转化为电能，就足以支持手机或随身听运行，因为它们只需1瓦的功率即可运转。

纳米纤维，散步冲电

你的手机或随身听没电了，充电器又不在身边，或者一时找不到可用的插座。不要再抱怨了!与其抱怨电池没电，还不如散步几分钟。这几分钟的散步就可以给你的手机或随身听充上电，因为你的衣服可以将动能转化为电能!

当然，发电服装尚未摆上服装店的货架。不过，用来制造发电服装的纤维现已存在。科研小组最新研制出一种能产生电能的新型纳米纤维。这种比头发丝还细的纤维丝由于“生长”出极微小的纳米丝，只要受到拉扯、摩擦或微风吹拂即可自行发电。借助这种“纤维纳米发电机”，走路、心跳这样司空见惯的运动将来都能用来发电，机械能因此被巧妙地转化为电能。

纳米材料学家研制出的这种纤维既非棉质也非尼龙，而是由起加固作用的凯夫拉合成纤维丝与氧化锌纳米丝构成的混合体，后者通过压电效应可将机械能转化为电能。这一发明在理论上并没有什么奇特之处。一些晶体的结构比较特别，缺乏对称性，当这种晶体受到压力而改变形状时，便会放出少量的电流，这就是压电效应。具有半导体性能的六方形氧化锌单晶体就具备产生压电效应的特性。

早在1880年，科学家就注意到，将一定机械应力作用于石英晶体，便能在晶体的某些表面产生电压。这一电压源于晶体中带电原子，即离子的重新排列。原本不带电的晶体从而被极化。机械能通过“压电效应”转化为电能，反之亦然。日常生活中，液化气灶头的点火器和石英表就是利用这一原理工作的。

超细纳米线长出来

对于纳米材料学家来说，成功的关键在于如何使柔软的纤维上长出晶体材料。实验过程中，研究人员把凯夫拉合成纤维放入化学溶液中，在纤维丝上镀上氧化锌。镀在纤维丝上的氧化锌会呈辐射状生长，“长”出的纳米丝直径仅为头发的1/1800。在显微镜下观察这一组合，它就像一把有数十亿根毛的洗瓶刷。只要有机械应力如弯曲、挤压、拉伸等作用于这些氧化锌晶体时，它们就会产生电压。

与此前的研发相比，纳米发电纤维的突破在于：其一，生长纳米线的基片从硬盘、昂贵的硅材料换成了柔软、便宜的纤维丝。以美国材邦公司的凯夫拉纤维为例。几美元就可以买一大捆。其二，带动纳米线摩擦错动的机械运动由之前频率较高的超声波改为更容易获取的低频机械运动。低频机械运动的成功利用更具有突破性意义。跑步、走路、心跳等产生的机械能从理论上讲都可以转化为电能，这些昔日被白白浪费掉的能量将来都可以被利用起来。利用纤维成功进行纳米发电，意味着“发电衣”等柔性、可弯曲的发电体在不远的将来都会成为现实，甚至微风吹动的帐篷也能发电。另外，纳米发电纤维的材料都是生物安全材料，整个过程无排放、无污染，堪称最具潜力的“绿色发电”。

如何发电呢?完成这一使命的是另一根用同样手段制成的长满氧化锌细丝的纤维，只不过这根纤维上的氧化锌细丝都被研究人员镀上了一层350纳米厚的金膜。研究人员把这两条纤维缠绕在一起，借助一个机动装置使它们相互摩擦。一拉一松，由于氧化锌的“压电效应”，纳米线的形变便可产生电能。

这两条纤维每秒钟摩擦一遍，产生一股强度大约为5皮安(1皮=10^-12)、电压3毫伏的电流。该电流虽然很微弱，但聪明的研究人员有的是办法。他们将绞在一起的三对纤维组合在一个更加复杂的系统之中，使电流强度增至先前的50倍。根据目前的原型估算，将来用这样的纤维制成的织物，每平方米的输出功率可达80毫瓦，足以驱动一部随身听或者为一块手机电池充电。因此，它可以用于远足者或者士兵的野外活动，也可以为生物医学或环境监测中的微型传感器提供电能。这项成果其最大吸引力还在于，只要衣服穿上身，无需做任何特别的动作，织物就可自行发电。比如你被风吹、听到声波或者受到震动，你的衣服都会发电，你不必做特殊的运动。简单地说，只要你能动，就能发电。

但另一缺陷也阻碍着发电服装的发展：这些纤维不可洗涤。研究人员把发电层夹在两层可洗涤但防水的面料当中，目前，这一问题已经解决了。研究人员预计在今后5年内，压电衬衫或许就会上市。

是否过于乐观了?将这些纳米发电机植入日常面料仍面临一些障碍，但这一设计实在精巧。这种由两根纤维组成的纳米发电机的输出功率还很小，这主要是由于纤维的内阻较大以及纤维之间接触面积较小造成的。目前，研究人员正努力提高这种基于纤维的纳米发电机的输出能量。这是一项成功的发明，也是5年来迅速发展的能量回收课题领域的巨大成功。当然，目前获得的电流还远不能支持手机工作，但随着纳米传感器在医学、国防和环境监测领域的逐步应用，人类迫切需要纳米级的能源。

“防狼夹克”聚电击人

另外还有一款新颖的概念产品给我们提供了全新的思路，它并不像我们上面介绍的那款“可以发电的衣服”一样通过压电效应来产生电力，而是通过在衣服内植入特殊的导电细丝同时加入一些特殊的技术，使得你只需要将手机、随身听等用电设备直接放到衣服口袋里即可对设备进行充电。同时，这款衣服还能够感知情绪，当发现穿着者受到威胁感到恐惧、害怕时，还能够瞬时积聚电量像“防狼夹克”一样将坏人击倒。

各种各样的发电服装还真让人目不暇接，浮想联翩。目前，大多数服装还正处在试验阶段，在其发展的过程中还有不少困难需要克服，向市场推广这些服装还有许多难题需要解决，如初期成本高昂、操作按钮位置的设计以及如何清洗等。

另外，有科学家还指出，如此之多的电子元件和化学材料的应用是否会对人体产生副作用，还需要进一步的证实，发展高科技服装必须制定一个统一、完善的安全标准。如此看来，这些功能强大的衣服要想走进寻常百姓家，可能还需要相当长的时间。